Нейтронный детектор
Владельцы патента RU 2469354:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок. Сущность изобретения заключается в том, что нейтронный детектор содержит источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, при этом чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильного нерадиоактивного материала, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора. Технический результат - исключение делящегося вещества, уменьшение чувствительности к фоновым излучениям, обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников, обеспечение многократности использования, упрощение технической реализации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок, и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов, подкритических сборок, импульсных и других источников нейтронов, в научных исследованиях.
Известен детектор нейтронов, который содержит резистивный элемент в виде таблетки из делящегося материала с низкой теплопроводностью и большим удельным электросопротивлением. Под действием излучения элемент нагревается и изменяется его электросопротивление, которое измеряется. Патент Российской Федерации №1526403, МПК: G01T 3/00, 1997 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов, низкий уровень генерируемого электрического сигнала, низкая помехозащищенность к электромагнитным наводкам, отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов.
Известен детектор нейтронов, включающий корпус, заполненный люминесцирующей газовой средой и делящимся материалом, и фотоприемник. В одном из торцов корпуса размещен волоконный световод, соединенный с регистрирующей системой посредством фотоприемника с фильтром, при этом делящийся материал выполнен в виде слоя и нанесен на боковую поверхность корпуса. Полезная модель Российской Федерации №30008, МПК: G01T 1/16, 2003 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов; энергозависимость.
Известен детектор нейтронов, содержащий чувствительный элемент из материала, в состав которого входит делящийся под действием нейтронов материал, и энергонезависимый преобразователь энергии с электрическим выходом, в котором чувствительный элемент выполнен из материала с эффектом памяти формы, энергонезависимый преобразователь включает два одинаковых пьезоэлектрических генератора, включенных электрически параллельно встречно, при этом чувствительный элемент установлен с возможностью взаимодействия с указанными генераторами в процессе формовосстановления при превышении потоком нейтронов критического уровня через дополнительно введенный упругий элемент, механически связанный с чувствительным элементом и размещенный с зазорами между пьезоэлектрическими генераторами. Патент Российской Федерации №2332689, МПК: G01T 3/00, 2008 г. Прототип.
Недостатками прототипа являются: использование делящегося вещества; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; невозможность многократного использования и изменения порога срабатывания без замены чувствительного элемента и пористого держателя; ограниченное быстродействие; невозможность измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; сложность изготовления и большое количество конструктивных элементов. Задачами изобретения являются: исключение делящегося вещества; уменьшение чувствительности к фоновым излучениям; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение многократности использования.
Техническим результатом является:
- исключение делящегося вещества;
- уменьшение чувствительности к фоновым излучениям;
- обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников;
- обеспечение многократности использования;
- упрощение технической реализации.
Технический результат достигается тем, что в нейтронном детекторе, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильных нерадиоактивных материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора. Схема регистрации изменения сопротивления выполнена в виде мостовой электрической схемы, а полевые транзисторы включены в ее противоположные плечи. Слои источника заряженных частиц выполнены из нескольких материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2.
На Фиг.1 схематично показано устройство многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора, где 1 - электрический изолятор, 2 - слои источника заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 3 - слои поглотителя заряженных частиц.
На Фиг.2 показано подключение многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора в мостовую измерительную схему, где 4 - полевой транзистор, 5 - электрическая схема для измерения тока в диагонали мостовой схемы, возникающего при разбалансировке моста, 6 - вакуумируемый корпус для многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора. Плечами моста являются собственно каналы транзисторов 4 и резисторы R1 и R2. Резистор R1 служит для начальной балансировки моста.
Нейтронный детектор работает следующим образом.
Нейтроны, попадающие в тот или иной материал источника заряженных частиц 2, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц, часть из которых выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 3. В случае применения для слоев источника различных материалов они должны излучать заряженные частицы одного знака. Тогда слои источника заряженных частиц 2 и слои поглотителя заряженных частиц 3 набирают заряд противоположных знаков. Этот заряд индуцирует соответствующий электрический заряд на затворах полевых транзисторов 4.
Появление заряда на затворе полевого транзистора 4 приводит к изменению сопротивления его канала. В случае быстрых нейтронов ослабление нейтронного излучения в отдельном слое источника 2 или поглотителя 3 заряженных частиц пренебрежимо мало. Поэтому величина накопленного заряда и, соответственно, изменение сопротивления канала транзистора 4 определяется количеством слоев источника заряженных частиц 2 и поглотителя заряженных частиц 3. Применение нескольких слоев в источнике заряженных частиц 2 и поглотителе заряженных частиц повышает чувствительность детектора.
Для измерения сопротивления канала полевого транзистора 4 может быть применена, например, мостовая электрическая схема.
Изменение сопротивлений канала транзистора 4 приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению тока в ее диагонали.
Изменение сопротивления в двух плечах мостовой схемы происходит синхронно и в противоположных направлениях. Синхронное изменение сопротивлений каналов транзисторов 4 обеспечивает увеличение чувствительности детектора по отношению к устройству с одним транзистором, подключенным либо к слоям источника заряженных частиц 2, либо к слоям поглотителя заряженных частиц 3, так как уменьшает влияние собственных шумов транзистора.
При подключении и источника заряженных частиц 2, и поглотителя заряженных частиц 3 к затворам транзисторов происходит удвоенное изменение тока в диагонали мостовой схемы по сравнению с подключением только источника или поглотителя.
Шумовой сигнал при таком подключении возрастает лишь в 20.5 раз по причине статистической независимости шумов разных транзисторов.
Восстановление исходного состояния детектора происходит за счет компенсации электрических зарядов источника заряженных частиц 2 и поглотителя заряженных частиц 3 в результате электрического разряда, возникающего между источником заряженных частиц 2 и поглотителем заряженных частиц 3 при превышении разности потенциалов между ними выше значения напряжения пробоя. Для этого источник и/или поглотитель может быть снабжен заостренным электродом (на чертеже не показан).
Чувствительный элемент нейтронного детектора размещен в вакуумируемом корпусе 6. Корпус 6 откачивают до давления не более нескольких десятков миллиметров ртутного столба. В корпусе 6 установлены проходные электрические разъемы для подключения слоев источника заряженных частиц 2 и слоев поглотителя заряженных частиц 3 к затворам полевых транзисторов. Откачивание воздуха из корпуса 6 чувствительного элемента является необходимым условием его работоспособности.
При наличии молекул воздуха между источником заряженных частиц 2 и поглотителем заряженных частиц 3 сила электрического поля между ними компенсируется полем, обусловленным поляризацией молекул воздуха.
Чувствительность нейтронного детектора зависит от используемых для источника материалов, толщины и площади каждого слоя источника заряженных частиц 2 в отдельности, площади слоев поглотителя заряженных частиц 3, входной емкости полевых транзисторов 4, чувствительности схемы регистрации 5.
Материал источника 2 заряженных частиц определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника в сторону поглотителя 3.
Расчеты показывают, что для датчика быстрых нейтронов лучшими материалами для источника 2 с точки зрения максимального выхода заряда на единичный нейтрон являются изотопы В11 и Са40. В обоих случаях при взаимодействии с быстрыми нейтронами излучаются заряженные частицы одного знака (положительного). Выход заряженных частиц из слоев В11 и Са40 максимален при толщине, соответственно, 100 мкм и 1500 мкм.
В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из этих материалов при указанных толщинах на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий нейтрона.
| Энергия нейтрона, МэВ | Материал источника | |
| В11 | Са40 | |
| 1 | 3.2Е-5 | 8.3Е-7 |
| 1,5 | 6.6Е-5 | 1.3Е-6 |
| 2,5 | 8.7Е-5 | 1.2Е-5 |
| 4 | 6.4Е-5 | 2.4Е-5 |
| 6 | 8.5Е-5 | 1.6Е-4 |
| 10 | 8.5Е-5 | 3.8Е-4 |
| 14,5 | 1.7Е-4 | 4.1Е-4 |
Из таблицы видно, что эффективность датчика с источником из Са40 растет с увеличением энергии нейтрона и более чем на порядок превышает эффективность датчика с В11 при энергии нейтрона 14,5 МэВ.
Эффективность датчика с источником из В11 слабо зависит от энергии быстрого нейтрона в диапазоне энергий 1-14,5 МэВ, но существенно выше, чем у Са40, в области энергий быстрых нейтронов менее примерно 4 МэВ.
Применение обоих материалов в источнике заряженных частиц 2 обеспечивает высокую эффективность регистрации во всем диапазоне энергий ≈ 1 МэВ - 14 МэВ. Регулировать энергетическую зависимость чувствительности в этом диапазоне энергий можно количеством слоев того или иного материала.
Сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами для бора В11 и Са40, приводящего к рождению заряженных частиц, пренебрежимо мало по сравнению с сечением взаимодействия с быстрыми нейтронами. Это обеспечивает низкую чувствительность датчика к фоновому излучению тепловых нейтронов.
Чувствительность к фоновому гамма-излучению также крайне низка из-за малой вероятности ядерных реакций под действием гамма-излучения с рождением заряженных частиц.
Влияние электромагнитных наводок уменьшено применением двух идентичных транзисторов, включенных в противоположные плечи мостовой схемы.
Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, обладающим минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц. Одним из таких материалов является, например, графит.
Величина нейтронного потока измеряется величиной тока в диагонали мостовой схемы.
Данная мостовая схема приведена лишь для примера и не является единственным вариантом исполнения схемы регистрации.
Заряд, появившийся на затворе полевого транзистора, приводит к появлению на нем напряжения U:
U=Q/C,
где Q - заряд на затворе, С - входная емкость транзистора.
Напряжение, соответствующее уровню шумов полевого транзистора, составляет несколько микровольт.
Для примера, примем это напряжение, равным 3 мкВ, а входную емкость транзистора, равной 1 пФ. Расчет показывает, что напряжение в 3 мкВ возникает при появлении на затворе около 20 единичных зарядов. Для источника из Са40 с площадью одного слоя 1 см2 и количеством слоев 10 такой величины заряд возникает при попадании на чувствительный элемент датчика, примерно, 5·103 быстрых нейтронов с энергией 14,5 МэВ.
1. Нейтронный детектор, содержащий источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, отличающийся тем, что чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильного нерадиоактивного материала, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора.
2. Нейтронный детектор по п.1, отличающийся тем, что схема регистрации изменения сопротивления выполнена в виде мостовой электрической схемы, а полевые транзисторы включены в ее противоположные плечи.
3. Нейтронный детектор по п.1, отличающийся тем, что слои источника заряженных частиц выполнены из нескольких материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами.
